水泥基压电E+E传感器的制备及其应用研究
作为土木工程结构健康监测的一个重要分支，压电智能结构健康监测技术受到学术界和工程界的广泛关注，但是传统的压电E+E传感器与混凝土结构存在相容性问题。针对土木工程结构的特点，研究了一种以水泥基压电复合材料为压电元件的水泥基压电E+E传感器，并基于主动波动法和被动波动法两种监测方式对其应用进行研究，探讨其在混凝土结构健康监测中的可行性。

水泥基压电E+E传感器的制备及其应用研究
具体研究内容及取得的实验成果如下所示：为了得到适用于土木工程结构健康监测的压电E+E传感器，本研究首先采用切割-浇注法制备了一系列不同谐振频率的1-3型水泥基压电复合材料。结果表明：在谐振频率处，水泥基压电复合材料的内阻较小，并且其频率附近阻抗值会一直保持在很低的水平，而且变化的幅度小，是作为E+E传感器相对较好的工作状态；同时随着高度的增加，厚度谐振峰增强，平面振动对厚度振动的影响降低，有利于制备模态纯净的压电E+E传感分别以1-3型水泥基压电复合材料和压电陶瓷为元件制备E+E传感器，研究了匹配层、背衬层以及屏蔽处理对E+E传感器性能的影响。实验结果表明：添加匹配层后E+E传感器的电阻抗频谱更加平坦，并且水泥基压电E+E传感器的阻抗值明显大于压电陶瓷E+E传感器。同时，匹配层增加了E+E传感器的带宽和接收灵敏度，使水泥基压电E+E传感器和压电陶瓷E+E传感器的灵敏度分别增加了0.954dB和2.728dB；背衬层在一定程度上降低了E+E传感器的灵敏度，但是背衬层提高了E+E传感器的声学衰减性能，消弱了E+E传感器的响应曲线余振和多次反射时的幅长。经屏蔽处理后E+E传感器的门槛值低于30dB，E+E传感器的抗干扰能力增强。 分别以水泥基压电E+E传感器和压电陶瓷E+E传感器为接收单元，基于超声波法对水泥净浆水化和水泥砂浆水化反应进程进行监测。研究结果表明：随着水化反应的进行，压电E+E传感器的接收波频域谱图中主频率和主频峰值则呈增大趋势，到水化后期接近于稳定；通过分析压电E+E传感器的接收波形信息，把水泥水化反应前24h分为五个阶段，即诱导期、加速期、波动期、衰减期和稳定期。相对于水泥净浆，超声波在水泥砂浆中首播幅值衰减明显，并且传播速度减小；并且相对于压电陶瓷E+E传感器，压电复合材料E+E传感器接收信号与试块强度之间具有更好的相关性，相关系数大于0.9。 基于声发射技术对水泥基压电E+E传感器的声发射特性进行研究。首先利用铅笔芯的断裂模拟声发射信号，分别在试块的不同面进行断铅，实验结果表明在与压电元件电极面相平行的面进行断铅时接收到的信号首波幅值zui大；然后在E+E传感器不同距离处进行断铅，研究E+E传感器对不同距离断铅信号的响应情况，实验结果表明：随着断铅距离的增加，接收信号的首播幅值降低。同时，由频域图可以看出，虽然不同距离信号的频谱图主频峰值不同，但是其主频频率不变。 基于声发射技术研究水泥基压电E+E传感器对不同受力条件下的水泥砂浆试块损伤的响应情况。实验结果表明：在单轴压缩试验中声发射信号随着加载试验的进行呈线性增加的趋势，并且当载荷超过破坏载荷的70%左右时，声发射信号能量突然增加；在三点弯曲试验中，撞击实验曲线和试验机加载曲线之间有很好的*性，并且可以将声发射过程可以分为3个阶段：初始阶段、稳定阶段、不稳定阶段，呈现出很好的双峰特性。

水泥基压电E+E传感器的制备及其应用研究
同时相对于PAC探头，水泥基压电E+E传感器对小幅度、小能量脉冲信号具有更好的接收能力。因此可以说，无论是在三点弯曲试验还是在试块单轴受压过程中，水泥基压电E+E传感器对试块的加载过程都能够很好地做出响应，并且对试块裂纹的产生、扩展及其集中反应灵敏，具有很高的实际应用价值。